Lorentzkraft und Elektromotor
Ein stromdurchflossener Draht im Magnetfeld bewegt sich wie von Geisterhand. Diese Kraft – die Lorentzkraft – treibt jeden Elektromotor an: im E-Auto, im Föhn, in der Bohrmaschine und im Ventilator.
Der Versuch mit der Leiterschaukel
Ein beweglich aufgehängter Draht hängt zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten. Schaltet man den Strom ein, schwingt er aus dem Magneten heraus oder hinein – je nach Stromrichtung. Polt man den Magneten um, kehrt sich die Bewegung ebenfalls um.
Merke
Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft. Sie steht senkrecht auf der Stromrichtung und senkrecht auf den Feldlinien. Bewegte Ladungen – auch der Elektronenstrahl in einer Braunschen Röhre – werden genauso abgelenkt.
Die Drei-Finger-Regel
Die Richtung der Kraft bestimmt man mit drei Fingern, die jeweils im rechten Winkel zueinander stehen:
- Daumen: Ursache – Bewegungsrichtung der Ladung bzw. Stromrichtung
- Zeigefinger: Vermittlung – Richtung des Magnetfelds (von N nach S)
- Mittelfinger: Wirkung – Richtung der Kraft
Welche Hand?
Mit der rechten Hand gilt die Regel für die technische Stromrichtung (von + nach −) bzw. für positive Ladungen. Mit der linken Hand gilt sie für die Elektronenbewegung (von − nach +). Beide führen zum selben Ergebnis – entscheide Dich für eine Variante und bleib dabei, wie es Dein Schulbuch macht.
Wie groß ist die Kraft?
Steht der Leiter senkrecht zum Feld, gilt:
F = B · I · l B: magnetische Flussdichte in Tesla, I: Stromstärke, l: Leiterlänge im Feld
Für eine einzelne Ladung q, die sich mit v senkrecht zum Feld bewegt, gilt F = q · v · B. Ein guter Dauermagnet hat in der Nähe seiner Pole etwa 0,1 bis 1 T.
Beispiel
Ein Draht führt 5 A, 4 cm davon liegen in einem Feld von 0,2 T: F = 0,2 T · 5 A · 0,04 m = 0,04 N – etwa die Gewichtskraft von 4 g. Für große Kräfte braucht man viele Windungen, also Spulen.
So funktioniert ein Elektromotor
- Eine drehbare Spule (der Rotor oder Anker) sitzt im Feld eines Magneten (dem Stator).
- Fließt Strom durch die Spule, wirken auf ihre beiden Seiten entgegengesetzte Lorentzkräfte – die Spule dreht sich.
- Nach einer halben Umdrehung würden die Kräfte die Spule zurückdrehen. Ein Kommutator (Stromwender aus zwei Halbringen und Bürsten) polt den Strom deshalb im richtigen Moment um.
- So dreht sich die Spule immer weiter. Mehr Windungen, stärkere Magnete und größerer Strom ergeben mehr Kraft.
Moderne Motoren in E-Autos und Ventilatoren arbeiten oft ohne Bürsten: Eine Elektronik schaltet die Spulen im Stator nacheinander ein, und ein Dauermagnet als Rotor läuft dem Feld hinterher.
Der Elektromotor ist die Umkehrung des Generators: Dort erzeugt eine Drehbewegung durch Induktion eine Spannung. Mehr dazu unter Kraftwerk und Generator.
Teste Dich selbst
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